一種基于攝像頭的可見光室內定位系統設計

張夢童 王秀偉 張李瑤2 譚雅瑋

摘 要：該文研究利用可見光實現室內定位的問題，在未充分考慮太陽光線干擾的前提下有效解決了室內定位的不精準性和遮擋效應，開發一套圖像處理算法并設計了一套基于攝像頭的MIMO可見光室內定位的并行通信系統，可保證光源利用率與可操作性較高。仿真結果表明，發送方發送的信號流可以在接收端得到正確的恢復，并且可以修正少量的誤差。

關鍵詞：圖像處理 室內定位 并行通信 模擬仿真

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0030-03

定位技術已在技術手段、定位精度、可用性等方面均取得質的飛越，但室內定位的技術還處于研究階段，也沒有一個成熟的室內定位系統廣泛投入使用[1]。該文采用白光發光二極管（LED）作為傳輸模型，充分發揮其高灰度、低能耗、高響應靈敏度的特點，設計了一種基于FPGA的室內定位系統。精確定位可以通過使用測試空間中可用的3個可見光源來實現。通過算法可屏蔽外界光線干擾且定位精度可達毫米級，實現基本的通信，然后攝像機傳感器采集信號，進行定位。

無線可視通信的基本原理是：發射機將電信號轉換成光信號，通過白色LED發射，通過P/D接收信號，將光信號轉換成電信號，并解調輸出。我們實際采用構建自朗伯輻射模型的朗伯信道模型，簡易高效[2]，如圖1、圖2所示。

試驗空間頂部的照明設備已完成了電力線安裝工作，并用以實現其他設備與LED光源之間的正常通信。首先，PLC（電力線通信）將原始信號調整到合適的頻段，以便在PLC通道中傳輸。之后信號加入耦合器使電路中弱強電隔離，同時提供部分傳輸帶寬。再將信號通過發送端電路加載到LED光源時，通過接收端的光電傳感器將光信號轉換成電信號，再進行信號解調等一系列處理，恢復出原始發送信號。

改進的VLC（可見光通信）系統不再需要多個光源一起傳輸一個信號，因為只要LED發出的部分光被攝像機捕獲，就可以通過適當的圖像處理技術成功地恢復原始傳輸的數據。因此，它節省了帶寬，避免了傳統VLC通信系統中多徑延遲引起的光源數目、多光源布局、接收機FOV和ISI等問題。

1 系統概述

在該文的定位系統中，發送器是3個家用LED光源。通過使用FPGA頻率發生器以及MOSFET驅動電路實現了對其內部電路的改造，使它們能夠發送一定頻率的閃爍信號，來傳送對應該光源安裝坐標的ID信息，進而在定位過程中作為參照計算位置。接收端是具有相機的終端，同時需要具備FPGA的數據及圖像處理能力。

為了驗證定位方法的有效性，我們采用了一個USB相機連接PC上作為接收端硬件平臺，并基于Qt圖形界面以及Open CV圖像處理庫函數實現了通信以及定位軟件的開發。然后，由STM32單片機驅動TFT顯示其位置信息。

2 定位算法設計

相比于其他室內定位技術，可見光定位中，通信方式不同，但定位的基本算法相同。出于技術難度的考慮，該文采用幾何測量法中的三邊定位法和三角定位法，通過測量距離和角度，分別得到地面上定位目標的位置坐標后，以后者所得結果為參考，對前者結果校正，圖3與圖4為其原理示意圖。

三邊定位法中，3個白光LED燈作為定位信標的坐標已知，分別為、、，與定位目標之間距離d1、d2、d3亦可通過WiFi信號強度測距等方法獲得。之后易得如下方程組：

（1）

該文研究的定位目標在二維平面，故有Z1=Z2=Z3，代入上式再相互做差可得：

（2）

將上式轉化為矩陣再結合最小二乘法即可得到定位目標坐標。

三角定位法中，已知定位信標、間距為d，與兩點和定位目標所成角度為θ1、θ2，就能根據如下方程組求出定位目標的位置坐標[3]，并對計算結果進行校正。

（3）

兩種幾何測量法的配合使用，在定位效率未明顯下降的前提下大幅減小了誤差。

3 MIMO系統的引入

該文引入的MIMO指的是一種并行的多通道傳輸模式，系統發送端各個光源獨立加載發送不同的信號，空間內多條子信道并行傳輸。在接收端，攝像機用于獨立接收每個光源發出的信號。在采集每個LED光源的信息后，根據圖像的位置和所屬像素的信息，采用圖像處理技術對信號進行分離。對于一個子信道上的信號，信號對其他子信道的干擾不會影響接收端該信道上信號的狀態判別。

信道矩陣條件數仿真驗證了信道空間相關性隨發光二極管（LED）間距的減小而增大、隨光電檢測器（PD）間距的減小而增大、隨LED到PD垂直距離的增大而增大[4]。該文所設計的三燈定位系統的距離適用于普通住房改裝成的試驗現場。

4 信號處理的研究

發送端通過FPGA的DDS模擬出3個頻率不同的信號，將其加載到LED燈上面，接收端通過攝像頭模塊OV7670接收可見光信號，之后在MATLAB和OpenCV里面共同完成圖像的采集處理。

該文使用二值法對采集到的圖像進行灰度化，分離每個燈及其像素的位置，得到每個燈的信號碼流，然后對每個光源設置高斯模型進行信號恢復和噪聲濾波，選擇自適應閾值恢復信號碼流的0和1值。

5 接收端信號采集及恢復

圖像傳感器有兩種工作方式，第一種是只有一列像素可以用來檢測光強度，第二種是所有像素都可以檢測光強度。前者檢測速度很快，但后者的檢測度精度很高，因此我們采用第二種方式來檢測。

對攝像頭采集的圖像首先對其計算灰度分布的直方圖，可以利用以下公式：

Hi （4）

式中，為所采集圖像的位置坐標為時該點像素的灰度值，Hi為分布直方圖中第i級灰度的分布值，即整幅圖像I的中灰度為i的像素數。每個灰度圖像的像素可以由0（黑）到255（白）的亮度值表示，0～255之間表示不同的灰度級，對應于二維空間中一個特定的位置，并且有一個或者多個與該位點相關的采樣值組成數值[5]。

通過灰度分布直方圖，可以得到光源區域的灰度分布和背景光的灰度范圍，然后通過模擬算法得到光源位置與大小[6]。在3個燈的圖像位置和大小信息確定之后，就可用圖像處理中的形態學操作和聚類操作分離得到各個燈的位置及其像素點。確定其像素點之后，通過信號的后端解調得到其中攜帶的信號，用到三燈定位模型中。

參考文獻

[1] 張靖婷.室內可見光定位技術研究與實現[D].大連海事大學，2016.

[2] 成順利，閆坤，李卓，等.朗伯模型參數優化的可見光室內定位技術[J].光通信研究，2018（5）：69-73.

[3] 周通.可見光室內定位技術研究[D].長春理工大學，2018.

[4] 李斗鵬.室內多光源照明下可見光定位技術研究[D].中國科學技術大學，2017.

[5] 楊英.加載電路板故障檢測與定位算法研究[D].哈爾濱工業大學，2007.

[6] 高俊英.基于攝像頭的MIMO可見光無線通信系統[D].南京郵電大學，2015.